低密度碳粘接碳纤维复合材料(CBCF)抗氧化改性研究

以全氢聚硅氮烷(PHPS)为原料,采用浸渍-热转化方法,在低密度碳粘接碳纤维复合材料(CBCF)中短切碳纤维表面成功包覆硅氧氮(SiON)涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDS)等分析测试手段对碳纤维表面的SiON涂层进行了形貌和物相分析,结果表明:涂层主要由Si、O、N元素组成,在PHPS浓度为3wt%和5wt%条件下制备的涂层均匀、致密,随着PHPS浓度的提高,涂层厚度增加,但易发生结块。当PHPS浓度为10wt%和20wt%时,制备的SiON涂层出现结块并且存在裂纹。采用热重分析和等温氧化实验对纯CBCF和SiON涂层改性的CBCF复合材料抗氧化性能进行考核,结果显示碳纤维表面包覆SiON涂层能够显著提高CBCF复合材料的抗氧化性,随着PHPS浓度增大,低密度CBCF复合材料抗氧化性能显著提高。

基于非接触光声成像的碳纤维增强复合材料冲击损伤检测方法

为了探究碳纤维增强复合材料(CFRP)的损伤机制并对其制造过程进行质量监控,对CFRP的冲击损伤区域进行了高分辨无损检测。构建了全光式非接触光声显微(AONC-PAM)成像系统,利用自主开发的光学吸收结合背向散射的双对比度成像模式,对CFRP在不同冲击能量下的损伤区域进行高分辨率无损检测。实验结果显示,AONC-PAM系统的空间分辨率为2.9±0.5μm;双对比度成像策略能以2 s/帧的速率同时获得基于光学吸收和表面散射特性的图像及两者叠加的双对比度图像;AONC-PAM系统显示了比通用明场显微镜系统更多的成像细节,包括碳纤维分布和其他微观缺陷如纤维断裂、错位、缺束和褶皱,可检测的微观缺陷尺寸达10~20μm,并实现了损伤区域的精准量化。

硅烷偶联剂改性金属加热元件提高碳纤维/聚苯硫醚热塑性复合材料电阻焊接强度

以使用碳纤维为增强体,聚苯硫醚为树脂基体的碳纤维增强聚苯硫醚(Carbon Fiber Polyphenylene Sulfide,CF/PPS)热塑性复合材料为研究对象,对其电阻焊工艺进行了研究,获得了最佳工艺参数,并使用硅烷偶联剂对加热元件(304不锈钢金属网)进行改性。在探索最佳工艺参数时,使用了田口试验方法,设计了三因子三水平的正交试验,得到了在CF/PPS电阻焊试验最佳参数(电流为42 A,压力为2.0 MPa,时间为10 s)下的最大单搭接剪切强度(Lap Shear Strength,LSS)为24.5 MPa。运用硅烷偶联剂对加热元件进行表面改性,提高了聚苯硫醚与金属网之间的黏附性。与加热元件未进行任何处理的焊接接头相比,使用硅烷偶联剂处理加热元件的焊接接头搭接剪切强度为31.1 MPa,提高了27%。

碳纤维复合材料在车身底板上的胶接研究及应用

碳纤维复合材料(CFRP)是一种力学性能优异的材料,在国内大批量的汽车生产中,尚未实现CFRP与汽车车身的粘接应用。阐述了CFRP与铝合金材料粘接后的性能测试结果以及工艺流程的优化方案,通过测试结构胶在不同工艺下的固化强度以及外界因素对胶体粘接强度的影响,最终确定ES6车型CFRP粘接工艺流程以及各工序的工艺参数,在国内首次实现了将CFRP大规模(生产线产能20辆/h)应用于新能源汽车的车身结构件。

光固化碳纤维布/CEP-ES复合材料粘接修理金属损伤结构

设计了具有紫外光辐照引发自蔓延固化特性的脂环族环氧树脂（CEP）与有机硅树脂（ES）的混合树脂体系（CEP-ES）,并以它们为基体实现了碳纤维增强复合材料的快速光固化.研究了以光固化碳纤维复合材料为补片粘接修理金属损伤结构的影响因素.结果表明,有机硅树脂的引入不仅可以有效提高粘接修理的效果,而且可以改善粘接修理结构的耐湿热性能,当ES的质量比为20％ ～ 30％时,粘接修理结构具有最好的承载能力;适当增加复合材料补片的长度和层数可以有效提高粘接修理的效果;双面贴补修理比单面贴补修理具有更好的粘接修理效率.

循环盐雾环境中碳纤维复合材料-6082铝合金螺栓连接结构中铝合金的腐蚀行为

采用循环盐雾加速腐蚀试验,通过腐蚀速率测试、腐蚀形貌观察和电化学方法研究了碳纤维复合材料-6082铝合金螺栓连接结构中6082铝合金的腐蚀行为。结果表明:与碳纤维复合材料连接后,6082铝合金的腐蚀速率是未连接试样的13倍,铝合金与裸露的碳纤维接触处的腐蚀最严重。随着腐蚀时间的延长,铝合金的腐蚀电位逐渐下降,腐蚀电流密度增大,耐蚀性减弱,铝合金表面的腐蚀产物逐渐形成致密和疏松的双层结构。

含缺陷管道碳纤维复合材料补强数值模拟研究

当代石油、天然气等能源的主要运输方式为管道运输,管道在长期使用时会产生各种缺陷,这些缺陷将对管道的结构和强度产生影响。目前先进的管道修复技术为复合材料补强技术,其中碳纤维复合材料是较优的选择。为了测试有/无碳纤维补强管道缺陷处的效果,开展了不同层数碳纤维复合材料的拉伸实验研究,结合ANSYS数值模拟探究了修复前后不同缺陷管道在承载时的应力、应变分布,分析了修复补强效果的影响因素。结果表明:缺陷减薄厚度对管道的应力、应变状态影响较大,碳纤维复合材料修复技术能在减小管道缺陷处应力、应变的同时优化其应力、应变分布,可以通过增加碳纤维修复层数来提升修复效果,相关研究对于管道的修复补强有一定指导意义。

楔块耦合的碳纤维增强复合材料褶皱缺陷全聚焦成像

褶皱是碳纤维增强复合材料中最主要的缺陷类型之一,当使用超声相控阵对复合材料薄板进行检测时,由于采集系统非线性效应和电子串扰等干扰会引发盲区现象,掩盖了薄板内的褶皱信息。为削弱盲区影响,考虑在相控阵与复合材料薄板(小于10 mm)之间增加楔块,提出楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法。基于费马原理与斯涅耳定律,建立楔块耦合的多层介质超声波传播模型;制备含褶皱缺陷的碳纤维增强复合材料试样,搭建超声相控阵数据采集系统,采集全矩阵数据;将楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法和传统全聚焦方法的成像效果进行对比。结果表明,基于楔块耦合的最短路径射线追踪全聚焦方法能减小试样表面盲区深度,修正声时偏差,削弱盲区影响,恢复出试样内的褶皱缺陷。相比传统全聚焦方法,纤维褶皱长度、褶皱顶部高度、褶皱角度这3个参数表征的精准程度分别提高了5.9%、4.1%、4.2%。该文为碳纤维增强复合材料薄板褶皱缺陷的检测提供了新思路。

改进型密集阵列全聚焦成像算法的碳纤维复合材料板损伤定位研究

本文针对各向异性碳纤维复合材料板的损伤定位问题,提出改进型密集阵列全聚焦成像方法。首先,考虑碳纤维复合材料板的各向异性,通过实验分析超声导波在板中的传播特性,得到沿不同传播方向的群速度值。其次,对密集型传感器阵列的参数进行分析和优化研究,分别对不同阵列参数即阵元间距和阵元数量进行指向性函数的数值分析,优化阵列的参数,以保证阵列主瓣较窄、旁瓣较低且无栅瓣。然后,提出了一种考虑碳纤维复合材料板各向异性的改进型密集传感器阵列板结构缺陷定位算法。使用超声导波在碳纤维复合材料板中沿不同传播方向的群速度值,对全聚焦算法进行修正,并利用虚拟聚焦原理对板结构进行全聚焦成像。最后,通过布置碳纤维复合材料孔洞损伤实验,对基于密集阵列全聚焦成像方法的定位精度进行分析。实验结果表明,改进型密集阵列全聚焦成像算法的定位精度为1.00 mm,相较于使用单一群速度值,该方法在定位孔洞损伤缺陷时具有更高的精度。

阵列式碳纤维复合材料的制备与微波吸收机理研究

以碳纤维为代表的碳材料具有质轻、导电性好、化学稳定性强等突出的物理化学性质,将其作为吸波剂使用可以提升材料的吸波性能、使用寿命并有效降低重量。通过“电场取向优化+基体灌封固化”的工艺完成了不同组分阵列式碳纤维复合材料的制备,采用SEM、FT-IR等手段对材料的形貌和化学成分进行表征,利用矢量网络分析仪对材料在2~18 GHz频段内的复介电常数和复磁导率进行表征,分析了微观结构对材料电磁参数、界面阻抗匹配及电磁波吸收性能的影响规律,最后研究碳纤维空间排布形式、复配粉体成分对其吸波性能的影响机制。结果表明,材料的电磁损耗机制由电介质损耗、干涉相消、界面极化弛豫、磁损耗共同构成;当复合材料厚度为2.0 mm时,反射率<-10 dB(6.1~7.6 GHz),在6.5 GHz处最大衰减值为-15.2 dB,热导率达到3.2 W/(m·K);验证所制备的材料在满足电磁波吸收功能的同时还具有一定的导热性。

高低温对碳纤维/环氧树脂复合材料高压气瓶的性能影响

为了获得T1000碳纤维/环氧树脂复合材料高压气瓶环境适应能力,有效地掌握气瓶高低温适应性固有规律,以容积50 L、工作压力30 MPa的复合材料气瓶(钛为内衬、碳纤维/环氧树脂为复合层)为研究对象,首先介绍了高低温循环下带压气瓶(在-40~80℃范围内成功通过热真空、热循环验证,具备高压承载能力)的热真空、热循环试验数据,然后采用与气瓶相同复合材料的拉伸试样(缠绕角分别为0°和90°),通过高低温极限摸底试验获得了复合材料经历不同梯度高低温后的拉伸性能数据,通过数据比对分析获得了高低温影响拉伸强度衰减的规律。同时,提出了一种高低温极限摸底试验的可靠性评估方法。结果表明,在-50~100℃范围内,试样拉伸强度及断裂伸长率变化较小;当温度高于100℃时,纤维和树脂的性能发生衰减,导致拉伸强度明显降低;当温度低于-50℃时,树脂的性能发生衰减,纤维受到的影响较小。试样高低温极限摸底试验的可靠度大于0.999,表明采用拉伸试样高低温拉伸强度数据的替代方式具有较高的等效性。

一种窑洞建筑碳纤维复合材料的特性测试及应用分析

基于窑洞建筑与村落设施对建筑复材低密度、高断裂韧性的需求,对比分析了烧结SiC、碳纤维增强复合材料以及Y-Z_(r)O_(2)涂层改性碳纤维增强复合材料的密度、表面形貌、弯曲强度和断裂韧性。结果表明,SiC及其碳纤维增强SiC复合材料的密度和弯曲强度从大至小的顺序依次为SiC、Cf/SiC复合材料、Cf(Y-Z_(r)O_(2))/SiC复合材料。SiC、碳纤维增强SiC复合材料中的残留Si含量和断裂韧性从小至大的顺序依次为SiC、Cf/SiC复合材料、Cf(Y-Z_(r)O_(2))/SiC复合材料。碳纤维增强复合材料、Y-Z_(r)O_(2)涂层改性碳纤维增强复合材料较烧结SiC具有更低的密度和更高的断裂韧性。从窑洞建筑与村落设施角度考虑,选择成本更低而性价比更高的Cf/SiC复合材料为宜。

“无机粒子-无纺布”协同改性碳纤维复合材料及其增韧机理

针对碳纤维复合材料层间性能较差、易发生分层损伤的问题,提出一种采用SiC粒子和热塑性共聚酰胺(PA)无纺布对碳纤维/环氧树脂基复合材料(CFRP)进行增韧改性的技术,在层间构筑一种“无机颗粒/热塑性纤维/树脂基体”多组分多尺度增韧相体系,对比分析改性前后复合材料的Ⅰ型、Ⅱ型层间断裂韧性和耐热性,借助扫描电子显微镜(SEM)和动态热机械分析仪揭示其增韧和耐热性机制。结果表明,与未改性的CFRP材料相比,当SiC填充量(质量分数)为1%、PA无纺布面密度为25 g/m2时,改性CFRP材料Ⅰ型层间断裂韧性(GⅠC)和Ⅱ型层间断裂韧性(GⅡC)分别提高了52.7%和222.6%。无机粒子的阻滞效应、纤维的桥连效应和基体树脂的塑性变形是其主要增韧机制。

碳纤维表面接枝PEA/GO对复合材料界面粘结性能的影响

为了解决碳纤维与环氧树脂基体界面粘结性能较差的问题,采用化学接枝法在碳纤维表面构筑聚醚胺(PEA)和氧化石墨烯(GO)的分层结构,以期提高复合材料的界面粘结强度.实验结果表明,与未处理碳纤维复合材料(69.8 MPa)相比,在纤维表面分别接枝两层(CF-PG2)和四层(CF-PG4)的PEA/GO分层结构的复合材料的界面剪切强度(IFSS)分别提高了18.8%和60.0%,主要归因于纤维表面极性官能团含量的增加提高了改性后纤维的表面能.CF-PG4复合材料的IFSS更高,是因为GO在纤维表面均匀致密的排列不仅改善了纤维与树脂的浸润性,而且可以有效地增加裂纹传播的路径,防止出现应力集中的现象.

轻木夹芯/碳纤维复合材料结构后推构型无人机机身设计与分析

设计了一款后推构型轻木夹芯/碳纤维复合材料结构无人机机身,完成了机身气动外形设计、流场分析和内部结构设计。建立了机身结构有限元模型,完成了结构刚度校核。编写子程序,将3D Hashin失效准则嵌入计算模型,基于三类失效模式构建极限状态函数g(x),对机身结构进行了强度及稳定性校核。采用等步长施加超设计载荷,预测了结构的初始损伤位置及模式。对机身蒙皮铺层方案进行了优化设计,采用g(x)函数对更改铺层方案后的结构性能进行了评估。研究结果表明:着陆工况和最大飞行速度工况的机身蒙皮表面压强最大值均在机头整流罩区域。两种工况的极限状态函数g(x)均大于0,最大位移分别为3.076 mm和2.92 mm,机身结构满足刚度、强度和稳定性要求。对着陆工况施加1.17倍设计载荷时,油料舱下壁板轻木芯材发生压缩分层初始损伤。机身结构失稳发生于侧面蒙皮,提高45°铺层占比可提高蒙皮的稳定性。玻纤蒙皮铺层优化后,在质量不变的条件下,结构稳定性裕度提高了7.2%。

碳纤维复合材料层合板钻削后拉伸剩余强度研究

拉伸剩余强度是复合材料层合板的一个重要力学性能,对产品的使用寿命起着关键作用。为了研究钻削工艺参数对碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)层合板钻削后拉伸剩余强度的影响,将所选用的失效准则和刚度退化模式编写Vumat子程序,在Abaqus软件中建立了CFRP层合板钻削后拉伸有限元模型。通过正交试验探究主轴转速、进给量和钻头顶角对CFRP层合板钻削后拉伸剩余强度的影响。研究结果表明,主轴转速、进给量和钻头顶角都对层合板拉伸剩余强度有显著影响,提高主轴转速,减小进给量和钻头顶角都可以有效地提高层合板钻削后拉伸剩余强度,为实际加工提供参考。

飞机碳纤维复合材料蒙皮激光除漆技术的研究进展

碳纤维复合材料是飞机蒙皮的重要材料,除漆是飞机碳纤维复合材料蒙皮再次涂装之前最为重要的工序。激光除漆具有高效、可控、分层、“绿色”的优势,有望成为飞机碳纤维复合材料蒙皮除漆的主要技术途径。介绍了激光分层可控除漆方法和机理,总结了激光能量密度、激光扫描速度、激光搭接率等工艺因素对飞机碳纤维复合材料蒙皮涂层去除的影响规律,提出了激光分层可控除漆工艺的优化思路,并归纳了激光除漆效果评价方法。列举了激光除漆技术在飞机复合材料表面涂层维修中的应用,并对飞机碳纤维复合材料蒙皮激光除漆技术的发展趋势进行了展望。

铁粉/碳纤维增强树脂复合材料的制备 及脆化损伤研究

将偶联剂改性纳米铁(Fe)粉与预处理后的碳纤维混合,浸润于环氧树脂基料中,经过搅拌混合制备纳米Fe粉/碳纤维增强树脂复合材料,研究了复合材料在高温老化、水浸老化环境下的脆化损伤行为。结果表明:树脂受到高温老化和水浸泡老化后会出现脆化损伤,碳纤维和纳米Fe粉加入会对该损伤有一定抑制;加入质量分数为4.0%的纳米Fe粉后,随着高温老化时间延长,碳纤维质量分数为3.0%的纳米Fe粉/碳纤维增强复合材料的拉伸强度、断裂韧性下降幅度较小,同时脆化损伤后树脂与纳米Fe粉、碳纤维仍结合紧密;碳纤维质量分数为3.0%、纳米Fe粉质量分数为4.0%的纳米Fe粉/碳纤维增强复合材料经水浸老化后,断裂韧性仍旧保持较高水平。

碳纤维/UiO66-NH2环氧复合材料的制备及其性能研究

本文首先合成出锆基MOF材料UiO66-NH_(2),并设计得到PA功能化的MOF材料UiO66-NH_(2)-PA,再将其分散在环氧树脂基体中,制备了性能优异的碳纤维/UiO66-NH_(2)环氧复合材料.随后,通过FT-IR、SEM、XRD对UiO66-NH_(2)以及UiO66-NH_(2)-PA进行了表征,使用万能试验机对碳纤维/UiO66-NH_(2)环氧复合材料的力学性能进行了测试.结果表明,UiO66-NH_(2)-PA被成功制备,且改性后的碳纤维复合材料的抗弯曲和抗剪切强度分别提高了26.54%和29.09%.这是因为UiO66-NH_(2)-PA中氨基和磷基的作用增强了界面强度,既提高了碳纤维/UiO66-NH_(2)环氧复合材料的储能模量,又增强了复合材料的界面结合能力,从而实现了通过共同作用以提高碳纤维、环氧复合材料力学性能的目标.

碳纤维增强复合材料黏结型锚固体系弯拉性能试验研究

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)黏结型锚固体系的弯拉性能,对设计的锚固体系试件进行了10组轴向拉伸试验与12组弯拉试验。在锚固体系优化基础上研究了CFRP筋直径、弯曲半径改变下试件的极限承载力、破坏模式、锚固效率及CFRP筋荷载‒应变关系。结果表明,锚固体系的弯拉承载力折减量系数随CFRP筋弯曲半径的增大而减小,CFRP筋直径越大试件承载力折减量系数越大,并且CFRP筋横向约束有利于弯拉极限承载力的提高。此外,CFRP筋荷载‒应变曲线的非线性变化是试件失效前的典型特征。弯曲半径和CFRP筋直径的比值与锚固效率系数为线性关系,比值在2.4‰以下时试件的弯拉锚固效率系数小于80%,试件呈不均匀断裂和剪切的破坏形式。